當 Ondrej Krivanek 首次考慮製造一種能夠提高電子顯微鏡解析度的裝置時，他向美國能源部詢問了資金。“得到的回覆並不積極，”他笑著說。他從小道訊息得知，掌握資金大權的管理者宣稱，這個專案“除非他死了，否則不會獲得資助”。
“人們只是覺得它太複雜了，而且沒有人能讓它工作起來，”Krivanek 說。但他還是嘗試了。畢竟，他說，“如果每個人都期望你失敗，你只能超出預期。”
Krivanek、Niklas Dellby 和其他同事隨後為掃描透射電子顯微鏡設計的校正器確實超出了預期。它們聚焦顯微鏡的電子束，像聚光燈一樣在樣品上來回掃描，從而可以區分單個原子並在樣品內進行化學分析。為了他的開創性工作，Krivanek 與德國科學家 Harald Rose、Maximilian Haider 和 Knut Urban 分享了卡弗里納米科學獎，他們獨立開發了用於傳統透射電子顯微鏡的校正器，在傳統透射電子顯微鏡中，寬而靜止的電子束一次性照射整個樣品。
電子顯微鏡發明於 1931 年，長期以來有望實現前所未有的清晰度，並且理論上可以分辨原子百分之一大小的物體。但實際上，它們很少能達到這個水平，因為它們用來聚焦電子的電磁透鏡以扭曲和模糊最終影像的方式使電子發生偏轉。
Krivanek 團隊和德國科學家設計的像差校正器都部署了一系列電磁場，這些電磁場在多個平面和不同方向上施加，以重定向和聚焦偏離軌道電子。“現代校正器包含 100 多個光學元件，並且擁有自動量化和修復 25 種不同型別像差的軟體，”Krivanek 說，他與人共同創立了一家名為 Nion 的公司來開發和商業化這項技術。
這種精細的調整水平使顯微鏡學家能夠將目光投向一些重要的追求，例如生產更小、更節能的計算機，在不燒燬生物樣品的情況下分析生物樣品，並能夠檢測氫氣，這種最輕的元素和一種潛在的清潔燃燒燃料。
電子顯微鏡能幫助製造節能型計算機嗎？
我們正在製造各種有趣的原子尺度裝置，這些裝置將最大限度地減少邏輯運算所需的能量。以低得多的功耗進行計算是人們正在探索的前沿領域：每微瓦可以獲得多少千兆次浮點運算？我們所等待的是一個由摻入氮化硼中的外來原子製成的 10 原子電晶體。我確信總有一天會實現，因為您可以使用這些二維材料中的電子束來移動原子。那麼唯一的問題將是如何將其連線到裝置中的其他電晶體。
顯微鏡技術是否可以促成氫或太陽能電池等環保能源？
氫燃料電池將非常棒。它是最豐富的元素之一，當您將氫與空氣中的氧氣結合時，不會產生汙染，因為您產生的是水。如果可以將氫氣儲存在儲存罐中而無需將其保持在巨大的壓力下，則可以在您的汽車中放入足夠的氫氣。但是，要將氫氣放入儲存電池並迴圈進出，您需要能夠看到氫氣在做什麼，它位於何處，它與什麼結合。這就是電子顯微鏡及其光譜儀的領域，它們告訴您哪些元素在何處。對於太陽能電池，問題往往是效率和成本。對於矽太陽能電池，您可以獲得大約 20% 的效率，並且您必須生長、切割和拋光矽晶體，因此它可能會很昂貴。您是否可以製造出更便宜、效率更高的東西？如果您可以簡單地將一種材料作為薄膜噴在塑膠片上並獲得良好的效率呢？當您嘗試這樣做時，您會引入稱為晶界的缺陷，因為您沒有單晶。英國 SuperSEM 實驗室的一些出色工作展示了薄膜太陽能電池中的晶界如何影響其效率，以及您可以做些什麼。顯微鏡幫助我們瞭解如何安排材料的內部結構，以便從電的角度為我們提供我們想要的特性。
由 Falconieri Visuals 繪製的插圖
增強的解析度如何促進生物材料的研究？
當您觀察單個細胞時，您想了解不同位置存在哪些型別的化學物質，以及它們如何在細胞中移動。它們是如何合成的，又是如何代謝成其他物質的？我希望經過像差校正的振動光譜能夠回答這些型別的問題。生物顯微鏡通常是在從樣品中提取有用資訊和使用用於成像的相同光束破壞樣品之間進行的一場競賽。在振動光譜中，您不會將電子束對準您正在檢查的位置，而是將其對準附近的位置。這樣可以避免輻射損傷，並可以更仔細地檢查樣品。我們現在可以在具有顯著能量和空間解析度的掃描透射電子顯微鏡中做到這一點。我正在柏林洪堡大學進行休假，專注於此，但我不得不提前完成它，因為該大學因 COVID-19 而關閉。希望當世界恢復正常時，我將回到德國，並且我能夠說這個專案進展順利——或者，這是一個瘋狂的想法，根本行不通。如果您知道它會如何發展，那麼它就是工程。如果您一無所知，則稱為研究。這就是我們現在正在做的事情。